中新網(wǎng)北京12月15日電 (記者 孫自法)中國科學(xué)家聯(lián)合全球數(shù)十家科研機(jī)構(gòu)的合作者研究發(fā)現(xiàn)，一個(gè)名為MKK3的基因通過“拷貝數(shù)+激酶活性”雙輪驅(qū)動(dòng)，塑造了大麥在全球不同氣候區(qū)的休眠節(jié)律，其中，青藏高原上，青稞(裸大麥)擁有全球幾乎最強(qiáng)的MKK3活性。
這項(xiàng)成功破解大麥種子休眠機(jī)制的重要研究成果，為通過基因組設(shè)計(jì)育種、構(gòu)建可持續(xù)的高性能農(nóng)業(yè)體系帶來可能，也為應(yīng)對(duì)未來極端氣候變化與人口爆發(fā)性增長導(dǎo)致的糧食安全挑戰(zhàn)提供了新途徑。
中國科學(xué)院青藏高原研究所12月15日向媒體發(fā)布信息說，MKK3“鬧鐘”雙輪驅(qū)動(dòng)大麥種子休眠的相關(guān)研究論文，由該所古生態(tài)與人類適應(yīng)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合丹麥嘉士伯研究實(shí)驗(yàn)室、法國Secobra研究所、英國劍橋大學(xué)、丹麥哥本哈根大學(xué)等合作完成，近日在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。
高M(jìn)KK3激酶活性影響下種子短休眠時(shí)間導(dǎo)致的大麥穗上發(fā)芽現(xiàn)象(圖片來源：嘉士伯研究實(shí)驗(yàn)室)。中國科學(xué)院青藏高原研究所 供圖
研究團(tuán)隊(duì)介紹說，種子休眠是指種子在適宜發(fā)芽的條件下仍“按兵不動(dòng)”，直到環(huán)境真正安全才“啟動(dòng)”發(fā)芽，是農(nóng)作物在馴化過程中被深刻改造的關(guān)鍵性狀之一。然而，種子休眠是一把“雙刃劍”：休眠時(shí)間太短，成熟種子遇連陰雨易在穗上提前發(fā)芽，降低產(chǎn)量和品質(zhì)；休眠時(shí)間太長，則會(huì)影響復(fù)種時(shí)機(jī)和出苗整齊度。
論文通訊作者、丹麥嘉士伯研究實(shí)驗(yàn)室谷物育種與性狀開發(fā)研究中心主任克里斯托夫·多克特博士指出，大麥種質(zhì)基因組中控制種子休眠性狀基因MKK3雙重調(diào)控大麥種子休眠時(shí)間。當(dāng)基因拷貝數(shù)越多，表達(dá)量越大，種子休眠性越弱；當(dāng)氨基酸變異控制的激酶活性越強(qiáng)，種子休眠性越弱。二者協(xié)同作用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)MKK3總體活性的精細(xì)調(diào)控，進(jìn)而決定作物種子的休眠特性。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步系統(tǒng)解析全球1000余份大麥種子MKK3的時(shí)空演化格局發(fā)現(xiàn)，氣候和農(nóng)業(yè)需求是人類選擇MKK3類型的“指揮棒”：東亞季風(fēng)區(qū)偏愛“低活性模式”MKK3，休眠期長，可避開收獲季節(jié)濕熱氣候?qū)е碌乃氚l(fā)芽問題；北歐啤酒大麥即便在潮濕亞極地地區(qū)，古維京人仍選擇并穩(wěn)定“弱休眠性模式”種子，只為麥芽快速均勻萌發(fā)，并賦予啤酒卓越的釀造品質(zhì)，再通過提前收獲、煙熏干燥等農(nóng)藝技術(shù)規(guī)避穗發(fā)芽風(fēng)險(xiǎn)；在青藏高原，青稞選擇了全球“最高活性模式”。經(jīng)過長期選育，青稞擁有全球幾乎最強(qiáng)的MKK3活性，表現(xiàn)出最弱的休眠性和最強(qiáng)的種子萌發(fā)活性。
針對(duì)青藏高原的極端氣候，尤其是高海拔地區(qū)大麥?zhǔn)斋@期(9月-10月)頻發(fā)的低溫脅迫，當(dāng)?shù)匦纬瑟?dú)特的適應(yīng)性農(nóng)藝實(shí)踐，即在籽粒未完全成熟時(shí)即進(jìn)行收獲，其后通過自然風(fēng)干與焙炒、研磨等采后處理，使其便于冬季儲(chǔ)存與食用。這種極端的種子休眠性狀選擇，可以確保提前收獲的種子在播種后能迅速激活以適應(yīng)青藏高原嚴(yán)苛環(huán)境，確保大部分籽粒萌發(fā)。
“這是把基因變異、氣候變化和人類飲食文化寫進(jìn)同一本史冊(cè)。”論文共同第一作者、中國科學(xué)院青藏高原研究所王昱程研究員表示，本項(xiàng)研究成果為糧食抗逆育種提供了可操作的分子模塊，MKK3的雙重調(diào)控機(jī)制可直接用于分子育種，通過“拷貝數(shù)的增減”或“單堿基編輯”即可微調(diào)種子休眠期，進(jìn)而控制種子的休眠與發(fā)芽，為當(dāng)前全球氣候變化條件下的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供支撐。(完)
【編輯:于曉艷】
